计算物理验证电位相对性电压绝对性.docx
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计算物理验证电位相对性电压绝对性
包头师范学院
2012-2013学年第一学期期末考试课试卷
考试科目计算物理学成绩
物理科学与技术学院院系物理学专业10级一班
姓名田企萌
任课教师签名:
院系负责人签名:
装订处
电位相对性、电压绝对性验证
田企萌1009320010
摘要:
在一个确定的闭合电路中,各点电位的高低视所选的电位参考点的不同而变,但任意两点间的电压则是绝对的。
关键词:
电位电压相对性绝对性
引言
在电场中,某点电荷的电势能跟它所带的电荷量之比,叫做这点的电位。
电位是从能量角度上描述电场的物理量。
电压,也称作电位差,是衡量单位电荷在静电场中由于电位不同所产生的能量差的物理量。
其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所作的功,电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。
1、实验目的
1.1.用实验证明电路中电位的相对性、电压的绝对性
1.2.掌握电路电位图的绘制方法
2、原理说明
在一个确定的闭合电路中,各点电位的高低视所选的电位参考点的不同而变,但任意两点间的电位差(即电压)则是绝对的,它不因参考点电位的变动而改变。
据此性质,我们可用一只电压表来测量出电路中各点相对于参考点的电位及任意两点间的电压。
电位图(电位图中电位ΦC语言编译中全部用u替代)是一种平面坐标一、四两象限内的折线图。
其纵坐标为电位值,横坐标为各被测点。
要制作某一电路的电位图,先以一定的顺序对电路中各被测点编号。
以图1(图1为C语言编译)的电路为例,如图中的A~F,并在坐标横轴上按顺序,均匀间隔标上A、B、C、D、E、F、A。
再根据测得的各点电位值,在各点所在的垂直线上描点。
用直线依次连接相邻两个电位点,即得该电路的电位图。
图1
电压图(C语言编译中电压用U表示)是一种平面坐标一、四两象限内的折线图。
其纵坐标为电压值,横坐标为俩点间的电压。
要制作某一电路的电压图,
先以一定的顺序对电路中各被测点编号。
以图1的电路为例,如图中的A~F,并在坐标横轴上按顺序,现在在坐标横轴上均匀间隔标上UAB、UBC、UCD、UDE、UEF、UFA,在根据计算或者测量电压值,在各点所在的垂直线上描点。
用直线依次连接相邻两个电压点,即得电压图。
在电位图中,任意两个被测点的纵坐标值之差即为该两点之间的电压值。
在电路中电位参考点可任意选定。
对于不同的参考点,所绘出的电位图形是不同的,但其各点电位变化的规律却是一样的。
3、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
直流可调稳压电源
0~30V
二路
2
万用表
1
自备
3
直流数字电压表
0~300V
1
4
电位、电压测定实验电路板
1
HE-12
4、实验内容
利用HE-12实验箱上的“基尔霍夫定律/叠加原理”线路,按图1接线
4.1.分别将两路直流稳压电源接入电路,令U1=6V,U2=12V。
(先调准输出电压值,再接入实验线路中。
)
4.2.以图1中的A点作为电位的参考点,分别测量B、C、D、E、F各点的电位值φ及相邻两点之间的电压值UAB、UBC、UCD、UDE、UEF及UFA,数据列于表中。
4.3.以D点作为参考点,重复实验内容2的测量,测得数据列于表中。
电位
参考点
φ与U
φA
φB
φC
φD
φE
φF
UAB
UBC
UCD
UDE
UEF
UFA
A
计算值
—
—
—
—
—
—
-6.01
12.07
-2.00
0.98
-6.02
0.98
测量值
0.00
6.01
-6.06
-4.06
-5.04
0.98
-6.01
12.07
-1.99
0.99
-6.03
0.99
相对误差
—
—
—
—
—
—
0.0%
0.0%
0.05%
1.0%
0.1%
1.0%
D
计算值
—
—
—
—
—
—
-6.02
12.07-
-2.00
0.99
-6.03
0.99
测量值
4.05
10.07
-2.00
0.00
-0.99
5.04
-6.01
12.07
-1.99
0.99
-6.03
0.99
相对误差
—
—
—
—
—
—
0.01%
0.0%
0.05%
0.0%
0.0%
0.0%
注:
1.“计算值”一栏,UAB=φA-φB,UBC=φB-φC,以此类推。
2.相对误差=100(%)
5、实验注意事项
5.1.本实验线路板系多个实验通用,本次实验中不使用电流插头和插座。
HE-12上的K3应拨向330Ω侧,三个故障按键均不得按下。
5.2.测量电位时,用指针式万用表的直流电压档或用数字直流电压表测量时,用负表棒(黑色)接参考电位点,用正表棒(红色)接被测各点。
若指针正向偏转或数显表显示正值,则表明该点电位为正(即高于参考点电位);若指针反向偏转或数显表显示负值,此时应调换万用表的表棒,然后读出数值,此时在电位值之前应加一负号(表明该点电位低于参考点电位)。
数显表也可不调换表棒,直接读出负值。
6、实验结论
6.1.用基尔霍夫定理验证实验结果:
用基尔霍夫定理计算各点间电压:
由1,2,3式解得(结果由C语言自动计算):
那么(结果由C语言自动计算):
实验结果与计算结果基本一致。
6.2.电位相对性原理验证:
将实验数据输入C程序中,C程序将自动绘制电位图形,俩组数据得到俩幅电位图(如图2,3中左图),虽然俩个电位图的参考点不同,但各点的相对顺序一致,输入更多数据仍然得此结果,在此不多举例,从而验证了电位的相对性。
6.3.电压绝对性的原理验证:
基尔霍夫定理计算结果绘制的电压图(如图2,3中右图黄线)和实验数据得到的电压图(如图2,3中右图红线)基本重合,不同实验数据输入得到的图2,3的右图也基本一致,得到都是相同的电压坐标图,从而验证电压的绝对性。
图2
图3
参考文献:
[1]陈锺贤,计算物理学[M],哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2001年。
[2]王金海吴旻宋桂云,电路分析基础[M],北京:
高等教育出版社,2009年。
C语言程序
#include
#include
#include
#include
main()
{
intgraphdrv=DETECT;
intgraphmode;
floata[3][3]={1020,0,1,0,1330,1,510,510,-1};
floatb[3]={6,12,0};
inti,j;
floatA12,A13,B1,A22,A23,B2,A32,A33,B3;
floatAA23,AA33,BB2,BB3;
floatI1,I2,I3;
floatR1=510,R2=1000,R3=510,R4=510,R5=330;
floatm,n,t,r,s,x,y,z,x1,y1,y2;
floatu[6],U[6],Ul[6],Uj[6];
A12=a[1][0]/a[0][0];/*计算I1,I2,I3*/
A13=a[2][0]/a[0][0];
B1=b[0]/a[0][0];
A22=a[1][1]-A12*a[0][1];
A23=a[2][1]-A13*a[0][1];
B2=b[1]-B1*a[0][1];
A32=a[1][2]-A12*a[0][2];
A33=a[2][2]-A13*a[0][2];
B3=b[2]-B1*a[0][2];
AA23=A23/A22;
BB2=B2/A22;
AA33=A33-AA23*A32;
BB3=B3-BB2*A32;
I3=BB3/AA33;
I2=BB2-AA23*I3;
I1=B1-A12*I2-A13*I3;
Ul[0]=-I2*R2;/*计算理论电压*/
Ul[1]=12;
Ul[2]=-I2*R5;
Ul[3]=I1*R4;
Ul[4]=-6;
Ul[5]=I1*R1;
initgraph(&graphdrv,&graphmode,"\\tc\\bgi");
cleardevice();
settextstyle(1,0,3);/*画电路图*/
outtextxy(30,45,"F");
outtextxy(85,30,"I1");
outtextxy(405,30,"I2");
outtextxy(250,30,"A");
outtextxy(460,45,"B");
outtextxy(30,415,"E");
outtextxy(250,425,"D");
outtextxy(460,415,"C");
outtextxy(260,125,"I3");
outtextxy(145,65,"R1");
outtextxy(345,65,"R2");
outtextxy(270,220,"R3");
outtextxy(145,385,"R4");
outtextxy(345,385,"R5");
outtextxy(80,220,"U1");
outtextxy(390,220,"U2");
line(50,60,50,420);
line(250,60,250,220);
line(250,260,250,420);
line(450,60,450,420);
line(50,60,130,60);
line(170,60,330,60);
line(370,60,450,60);
line(50,420,130,420);
line(170,420,330,420);
line(370,420,450,420);
line(30,205,40,205);
line(35,200,35,210);
line(460,205,470,205);
line(465,200,465,210);
line(30,275,40,275);
line(460,275,470,275);
line(85,55,90,60);
line(85,65,90,60);
line(405,55,400,60);
line(405,65,400,60);
line(245,125,250,130);
line(255,125,250,130);
rectangle(130,53,170,68);
rectangle(330,53,370,68);
rectangle(130,412,170,428);
rectangle(330,412,370,428);
rectangle(242,220,258,260);
circle(50,240,20);
circle(450,240,20);
getchar();
closegraph();
printf("U1=I1(R1+R4)+I3R3,\n");/*显示公式*/
printf("U2=I2(R2+R5)+I3R3,\n");
printf("I3=I1+I2,\n");
printf("\nR1=510,\nR2=1000,\nR3=510,\nR4=510,\nR5=330,\n");
printf("U1=6,\nU2=12,\n");
printf("\nanswer:
\n");
printf("I1=%f,\nI2=%f,\nI3=%f,\n",I1,I2,I3);
printf("\nUjAB=%f,\nUjCD=%f,\nUjDE=%f,\nUjFA=%f,\n",Ul[0],Ul[2],Ul[3],Ul[5]);
printf("\nEnteru:
\n");/*输入实验值*/
for(i=65;i<71;i++)
{
printf("u%c=?
",i);
z=i-65;
scanf("%f",&u[z]);
}
U[0]=u[0]-u[1];/*计算实验电压*/
U[1]=u[1]-u[2];
U[2]=u[2]-u[3];
U[3]=u[3]-u[4];
U[4]=u[4]-u[5];
U[5]=u[5]-u[0];
clrscr();
initgraph(&graphdrv,&graphmode,"\\tc\\bgi");
line(25,30,25,450);/*画坐标*/
line(25,240,305,240);
line(350,30,350,450);
line(350,240,630,240);
for(i=1;i<8;i++)/*坐标横轴*/
{
t=25+40*i;
line(t,235,t,240);
r=350+40*i;
line(r,235,r,240);
}
for(i=1;i<27;i++)/*坐标纵轴*/
{
m=45+15*i;
line(25,m,30,m);
n=45+15*i;
line(350,n,355,n);
}
for(i=0;i<6;i++)/*画电位坐标图*/
{
x=65+40*i;
y=240-u[i]*15;
circle(x,y,1);
circle(305,240-u[0]*15,1);
x1=65+40*(i+1);
if(x1<305)
{
y1=240-u[i+1]*15;
line(x,y,x1,y1);
}
else
{
y2=240-u[0]*15;
line(x,y,x1,y2);
}
}
for(i=0;i<6;i++)/*画实验结果电压坐标图*/
{
x=390+40*i;
y=240-U[i]*15;
setcolor(RED);
circle(x,y,1);
x1=390+40*(i+1);
if(x1<630)
{
y1=240-U[i+1]*15;
line(x,y,x1,y1);
}
}
line(540,20,570,20);
outtextxy(580,15,"shiyan");
for(i=0;i<6;i++)/*画计算电压坐标图*/
{
x=390+40*i;
y=240-Ul[i]*15;
setcolor(YELLOW);
circle(x,y,1);
x1=390+40*(i+1);
if(x1<630)
{
y1=240-Ul[i+1]*15;
line(x,y,x1,y1);
}
}
line(540,40,570,40);
outtextxy(580,35,"lilun");
settextstyle(2,0,5);/*画横纵轴的数字及符号*/
setcolor(WHITE);
outtextxy(60,245,"uA");
outtextxy(100,245,"uB");
outtextxy(140,245,"uC");
outtextxy(180,245,"uD");
outtextxy(220,245,"uE");
outtextxy(260,245,"uF");
outtextxy(300,245,"uA");
outtextxy(380,245,"UAB");
outtextxy(420,245,"UBC");
outtextxy(460,245,"UCD");
outtextxy(500,245,"UDE");
outtextxy(540,245,"UEF");
outtextxy(580,245,"UFA");
for(i=0;i<2;i++)
{
s=8+325*i;
outtextxy(s,53,"12");
outtextxy(s,113,"8");
outtextxy(s,173,"4");
outtextxy(s,233,"0");
outtextxy(s,293,"-4");
outtextxy(s,353,"-8");
outtextxy(2,413,"-12");
outtextxy(327,413,"-12");
}
while(!
kbhit());
closegraph();
return0;
}
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